行业研报｜石英材料在军工、半导体、通信等高端领域应用市场前景
2018第三届矿物精细加工技术高级研修班
时间：2018年01月20日、21日、22日
地点：我国地质大学（北京）
讲师：我国建筑材料科学研究总院石英与特种玻璃研究院院长，王玉芬教授
授课内容：高纯矿物粉体在新材料中的应用技术要求、精细提纯矿物粉体的主要原理与影响因素、精细提纯矿物的主要工艺技术要求、高纯石英材料案例解析
石英玻璃是以天然结晶石英（水晶或高纯硅石）或硅化合物为原材料，通过在洁净的环境中经高温熔制而成。石英玻璃包括天然和合成两大类，天然石英玻璃纯度一般在99.9%以上，合成石英玻璃纯度一般在99.9999%以上。纯度是石英玻璃材料最重要的参数，是保证石英玻璃具备优良性能的核心。
表1 石英材料高端应用领域
石英玻璃具有耐高温、低膨胀系数、耐热震性、化学稳定性好、电绝缘性好、透光性好等优点，具有“玻璃王“的称号。由于其特殊的物理化学特性，石英玻璃材料被广泛运用于航空航天、军事、半导体、光通讯、太阳能等领域，在国民经济和国防建设中具有不可替代的作用。
1、石英材料在军工和航空领域的应用
在航空领域，石英玻璃材料主要用于制作透波增强材料，包括机载雷达罩、**雷达罩、干扰电磁发射窗口等。
雷达技术的发展使其天线罩对力学性能和透波性能要求越来越高，而材料是雷达罩性能的关键决定性因素，力学性能和介电性能是雷达罩材料的关键参数。常用的雷达罩增强纤维材料主要有玻璃纤维、高硅氧玻璃纤维、石英玻璃纤维、凯夫拉以及Spectra等。
表2 机载雷达天线罩常用透波纤维及性能
在上述材料中，石英纤维是高性能机载天线罩最常用的增强纤维，它电绝缘性和隔热性能优良，与酚醛树脂、环氧树脂都有很好的兼容性，并且具有弹性模量随温度升高而增加的罕见特性；介电性能十分优异，ε值和tanδ值在玻璃纤维中最低，并且在较宽的频带范围内基本不变化；再加上低密度、不吸湿性和优秀的机械性能，使得石英纤维在实际中得到大量应用，如美国F-15战斗机鼻椎天线罩都采用了石英纤维增强氰酸酯树脂复合材料作为夹层结构的蒙皮，F-22等最新型战斗机雷达罩也都选用了宽频性能极佳的石英玻璃纤维。
随着世界一流**建设目标的提出，以及J-20、Y-20等新一代军机列装进度加快，航空装备产业链景气度有望进一步提升。雷达罩作为军机结构的重要组成部分，其需要将随着军机需求的增长而快速增长。
根据《2016我国的航天》***，我国将航天事业作为国家战略的重要组成部分，历来高度重视。未来五年，我国还将继续推进载人航天、月球探测、北斗卫星导航**、高分辨率对地观测**、新一代运载火箭等重大工程，并启动一批新的重大科技项目和工程项目。
图2 航天飞船返回大气层
从近年来看，我国航天发射的次数稳步增加，未来有望保持年均20次以上。石英棉、石英布以及石英纱作为航天飞行器隔热、耐高温部件的重要原材料，未来需求有望随着我国航天事业的发展，保持稳定的增长。
2、石英材料在半导体领域的应用
石英材料是半导体生产过程中的重要材料，其质量、加工精度直接影响半导体产品的成品率。在半导体生产过程中，石英材料典型的应用有：石英坩埚用于硅单晶制造、石英玻璃钟罩用于光刻工程、石英管制作的石英舟和石英支架用于IC外延、扩散和光刻工程等。
图3 全球及亚太地区半导体销售情况（十亿美元）
2017年全球半导体销售额有望达到3970亿美元，同比增速达到17%。同时，我国作为半导体消费大国，2017年前三季度半导体销售额达到955亿美元，同比增速达到24%，半导体产业呈现较高的景气度。
按照每1亿美元半导体消耗50万美元石英玻璃材料的比例估算，2017年，全球半导体领域石英玻璃材料市场规模超过20亿美元。
图4 我国集成电路制造业销售额
在市场规模快速增长的同时，国家业高度重视我国半导体自主率不足的问题，2015年我国半导体自给率仅为13.5%左右。《国家集成电路产业发展推进纲要》提出大力发展我国半导体产业，并提高关键设备和材料的国产化率。随着我国成为半导体制造大国，石英材料国产化将提高更加广阔的发展空间。
3、石英材料在通信领域的应用
在光通讯领域，石英玻璃材料主要用于生产制作光纤预制棒、预制棒生产支撑材料以及光纤拉丝用支撑材料等。
2017年前三季度，我国新增光缆长度564万公里，同比增速达到42%。在需求量增长的同时，光纤**也开始上涨，我国联通2017年集采**增幅接近20%。2016年，我国发布了****化发展战略纲，指出了到2020年光纤入户用户占总宽带用户的比率提升至80%，固定宽带家庭普及率提升到70%，移动宽带用户普及率提升至85%，在上述规划指引下，我国光纤产业有望在十三五期间将保持持续、高速增长。
随着5G发展的不断推进，5G建设将进一步拉动对光纤的需求。除了我国实施宽带我国战略加强了对网络基础设施的建设外，美国、德国、法国、西班牙、印尼等国家也起动了网络基础设施的建设，光纤的需求量进一步扩大。全球主要国家的光网络建设导致光纤持续供不应求，国际市场光纤**已超过12美元/芯公里，**持续上涨。全球光纤市场正处于量价齐升的发展机遇期。
图6 2017-2022 年全球光纤光缆供货量与需求量预测
未来五年，全球光纤需求量有望持续保持增长，2018年，有望达到5.62亿芯公里。我国作为全球光纤的主要生产国和消费国，光纤需求和增速有望超过全球增速。
4、我国高端石英材料产业现状
石英玻璃行业具有较高的门槛，是气炼熔制技术、真空电熔技术、连熔连拉熔制技术等多种技术交叉的综合学科，对技术有较高的要求，目前也仅有美国、德国、法国、日本、英国、我国等少数国家能够大量生产石英玻璃。石英玻璃材料产业的高技术门槛使得整个石英玻璃材料市场被迈图、贺利氏、超精石英等少数几家企业所主导。
表3 国外石英材料相关企业
我国石英玻璃产业起步于1957年，基于国防建设的需要，石英玻璃被列入12年科技发展规划中；1957年至1966年，我国石英玻璃产业以生产工艺研究为主；1967年至1977年，各个品种相继形成规模化生产，产业初具规模；1978年****以后，通过引进国外先进技术、自主创新等方式，我国石英玻璃产业开始快速发展，部分产品和技术达到世界先进水平。
表4 国内石英材料相关企业
但与国际先进的石英厂家相比，我国企业还存在材料纯度不够高、产品质量不够稳定等缺点，与国际先进水平还存在一定的差距。尤其是在半导体领域，我国产品的使用有限。向半导体和高端应用领域的扩张将会是我国石英材料企业发展的重要方向。
编辑整理：我国粉体技术网
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